一种专用电信号的放大滤波电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种专用电信号的放大滤波电路，包括电压跟随器a，电压跟随器a依次与二阶有源低通滤波器a、同相放大器、二阶有源低通滤波器b、工频滤波电路、一阶无源高通滤波器a、增益可调放大器、一阶无源高通滤波器b、电压跟随器b，电压跟随器b上连接有静态工作电压调整模块或极性调整模块；上述模块均通过电源滤波与电源模块连接。本实用新型一种专用电信号的放大滤波电路，原理简单，价格低廉，可操作性强，而且能够更精确的对风粉电信号进行放大滤波。
【专利说明】
_种专用电信号的放大滤波电路
技术领域
[0001]本实用新型属于传感器检测及微弱模拟信号处理技术领域，具体涉及一种专用电信号的放大滤波电路。
【背景技术】
[0002]在利用互相关算法测量风粉流速及浓度的时候往往需要采集风粉在传感器电极上产生的微弱复杂电信号，若对风粉电信号的放大滤波处理不到位，则会给后期的AD采集和互相关运算带来很大的不便，甚至导致运算的错误，得到错误的结果。通常，风粉颗粒在传感器电极上产生的电信号很微弱，一般在微伏级别，有效信号频率处于IHZ到IKHZ之间，其中IHZ以下的信号主要是直流耦合原理在传感器电极上产生的低频直流信号，IKHZ以上的信号主要是外部环境和电路本身产生的高频噪声，如电源噪声和元器件内部噪声等，且噪声信号很大，其中工频信号的干扰也十分严重。为了给后续单片机信号的采集和运算带来便利，所以前期信号的放大滤波显得尤为重要。因此，研究一种专门调理这种复杂微弱电信号的放大滤波电路非常必要。
[0003]到目前为止，许多大型工业为了测量风粉颗粒的流速和浓度对传感器检测到的风粉电信号采用了多种处理技术，但都不能很准确的实施在线监测，这主要是因为对传感器检测到的微弱信号的处理远远达不到要求，主要是放大滤波不够到位。同时，对于微弱复杂信号的处理一直是检测技术的关键步骤，也吸引着不少学者在这一领域内的研究。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种专用电信号的放大滤波电路，解决了现有测量风粉颗粒的流速和浓度的放大滤波不够到位的问题。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是，一种专用电信号的放大滤波电路，包括电压跟随器a，电压跟随器a依次与二阶有源低通滤波器a、同相放大器、二阶有源低通滤波器b、工频滤波电路、一阶无源高通滤波器a、增益可调放大器、一阶无源高通滤波器b、电压跟随器b，电压跟随器b上连接有静态工作电压调整模块或极性调整模块；电压跟随器a、二阶有源低通滤波器a、同相放大器、二阶有源低通滤波器b、工频滤波电路、一阶无源高通滤波器a、增益可调放大器、一阶无源高通滤波器b、电压跟随器b、静态工作电压调整模块、极性调整模块均通过电源滤波与电源模块连接。
[0006]本实用新型的特点还在于，
[0007]若AD限制电压为3.3V时，电压跟随器b连接静态工作电压调整模块，若AD限制电压为5V时，电压跟随器b连接极性调整模块。
[0008]静态工作电压调整模块上连接有LED指示灯a。
[0009]极性调整模块上连接有LED指示灯b。
[0010]二阶有源低通滤波器a和二阶有源低通滤波器b的结构均为:输入信号SIG_1信号依次经电阻R7和电阻R8串联进入第一通用放大器的3脚，第一通用放大器的3脚经电容CU接地，电阻R7和电阻R8的连接处接电容C10，电容ClO的另一端接第一通用放大器的I脚，第一通用放大器的I脚经电阻Rl和第一通用放大器的2脚接在一起，第一通用放大器的2脚经电阻R4接地，第一通用放大器的I脚接电容CS的一端，电容CS的另一端经电阻RlO接地，同时电容CS接电阻RlO的这一端为输出SIG_2;5V电源接第一通用放大器的8脚，第一通用放大器的8脚和地之间分别串联电容Cl和电容C2，其中，电容C2为极性电解电容，电容C2的正极接第一通用放大器的8脚;-5V电源接第一通用放大器的4脚，第一通用放大器的4脚和地之间分别串联电容Cl 2和电容Cl 4，电容Cl 2为极性电解电容，电容Cl 2的正极接地，负极接-5V。
[0011]工频滤波电路的结构为:输入信号SIG_3信号依次经电阻R6和电容C9串联进入第二通用放大器的2脚，第二通用放大器的2脚经电阻R3接第二通用放大器的I脚，电阻R6和电容C9之间接入电容C7的一端，电容C7的另一端接第二通用放大器的I脚，电阻R6和电容C9之间接入电阻Rll的一端，电阻Rll的另一端接地，第二通用放大器的3脚也接地;第二通用放大器的I脚经电阻R9接到第三通用放大器的3脚，输入SIG_3信号经电阻R12接到第三通用放大器的3脚，第三通用放大器的2脚经R5接地，第三通用放大器的2脚和I脚之间串入R2;第二通用放大器的8脚接5V电源，同时第二通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C5和电容C6，其中电容C6是极性电解电容，电容C6正极接5V，负极接地;第三通用放大器的8脚接5V电源，同时第三通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C3和电容C4，其中电容C4是极性电解电容，电容C4正极接5V，负极接地;-5V电源接第二通用放大器的4脚，第二通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C16和电容C17，电容C16为极性电解电容，电容C16正极接地，负极接-5V电源;-5V电源还接第三通用放大器的4脚，第三通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C13和电容C15，电容C13为极性电解电容，电容C13的正极接地，负极接-5V电源。
[0012]静态工作电压调整模块的结构为:输入信号SIG_5信号经电阻R14接到第四通用放大器的2脚，第四通用放大器的2脚经电阻R13接到I脚，电阻R15的一端接5V电源，电阻R15的另一端接第四通用放大器的3脚，第四通用放大器的3脚经电阻R16接地，5V电源接第四通用放大器的8脚，第四通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C18和电容C19，其中电容C19为极性电解电容，电容C19的正极接第四通用放大器的8脚;-5V电源接第四通用放大器的4脚，第四通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C20和电容C21，其中电容C20为极性电解电容，电容C20的正极接地，负极接-5V电源。
[0013]电压跟随器a、二阶有源低通滤波器a、同相放大器、二阶有源低通滤波器b、工频滤波电路、增益可调放大器、电压跟随器b、静态工作电压调整模块均采用通用放大器LM358。
[0014]本实用新型的有益效果是:本实用新型一种专用电信号的放大滤波电路，原理简单，价格低廉，可操作性强，而且能够更精确的对风粉电信号进行放大滤波，进而可以通过AD采集和互相关运算更准确的反应风粉颗粒的流速和相应的浓度。电路中低通滤波和高通滤波组成的通频带内幅频响应具有最平幅度特性，工频滤波使得工频信号的干扰尽可能的降低。在实际的应用中，除信号的输入线采用屏蔽线外，其它的接线均无特殊的要求。由于设计中所采用的电源供电电路均加入了二极管加以保护，所以电路中的芯片不会因短路或其它原因损坏，也不会因为风粉浓度和流速过大的问题使输出信号峰值过大烧毁AD接口。每个芯片电源处均加入去耦电容，使电源电压平滑，减小交流干扰。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型一种专用电信号的放大滤波电路的电路原理框图；
[0016]图2是本实用新型放大滤波电路中二阶有源低通滤波器的结构图；
[0017]图3是本实用新型放大滤波电路中工频滤波电路的结构图；
[0018]图4是本实用新型放大滤波电路中静态工作电压调整模块的结构图。
[0019]图中，1.电压跟随器a，2.二阶有源低通滤波器a，3.同相放大器，4.二阶有源低通滤波器b，5.工频滤波电路，6.一阶无源高通滤波器a，7.增益可调放大器，8.一阶无源高通滤波器b，9.电压跟随器b，10.静态工作电压调整模块，11.极性调整模块，12.LED指示灯a，13.LED指示灯b，14.电源模块，15.电源滤波。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0021]本实用新型一种专用电信号的放大滤波电路，电路框图如图1所示，包括电压跟随器al，电压跟随器al依次与二阶有源低通滤波器a2、同相放大器3、二阶有源低通滤波器b4、工频滤波电路5、一阶无源高通滤波器a6、增益可调放大器7、一阶无源高通滤波器b8、电压跟随器b9，电压跟随器b9上连接有静态工作电压调整模块10或极性调整模块11;电压跟随器al、二阶有源低通滤波器a2、同相放大器3、二阶有源低通滤波器b4、工频滤波电路5、一阶无源高通滤波器a6、增益可调放大器7、一阶无源高通滤波器b8、电压跟随器b9、静态工作电压调整模块1、极性调整模块11均通过电源滤波15与5V电源模块14连接。
[0022 ]电压跟随器a 1、二阶有源低通滤波器a2、同相放大器3、二阶有源低通滤波器b4、工频滤波电路5、增益可调放大器7、电压跟随器b9、静态工作电压调整模块10均采用通用放大器LM358。该放大器在市场上容易购买，适用范围广，且具有价格低廉、高输入阻抗、低温度漂移、尚放大增益等特点。
[0023 ]同相放大器3放大倍数为100倍，为同相放大的形式。
[0024]二阶有源低通滤波器a2和二阶有源低通滤波器b4的截止频率均为1KHZ，增益均为2，等效品质因数Q均为I，接成二阶有源形式;一阶无源高通滤波器a6和一阶无源高通滤波器b8的截止频率均为IHZ以下，接成一阶无源形式。
[0025]工频滤波电路5采用带通与加法器构成的形式，单个模块在50HZ处衰减7.7db左右。
[0026]静态工作电压调整模块10利用LM358搭建，同相端采用电阻分压输入1.25V，信号从负端输入。
[0027]本实用新型一种专用电信号的放大滤波电路，将传感器的电极与电路的输入端相连，传感器外壁与电路的地线相连，为减小外界干扰，降低附加噪声的影响，提高信噪比，必须将收集到的静电感应信号尽可能早地进行初次放大，传感器与电压跟随器al模块的接线要尽可能的短，避免过长的导线引起的干扰。对此的要求是高输入阻抗、低噪声、共模抵制比大、失调小、可靠性高，并具有一定的抗干扰能力，因此电路信号引入后先经过电压跟随器al，作为缓冲输入级，接成同相输入方式，具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，可以使传感器的信号与后续电路模块及负载进行有效的隔离，提高承载能力，此处将信号放大两倍。为避免电源纹波干扰，所有运放电源部分均接入10uf电容和103去耦电容，其中，10uf电容为极性电解电容，103电容为非极性瓷片电容。另外传感器的初级信号线采用RG178屏蔽线或铜箔包裹接地的导线，避免过多的引入噪声。然后通过二阶有源低通滤波器a2进行一次二阶有源低通滤波，截止频率在1KHZ，品质因数Q为I，增益为2。随后通过同相放大器3进行100倍的一级放大，紧接着再通过二阶有源低通滤波器b4进行第二次二阶有源低通滤波，截止频率在IKHZ，品质因数Q为I，增益为2。之后引入若干个工频滤波电路5，对50HZ工频信号进行大幅度衰减，工频滤波电路5的引入个数受放大倍数和对信号精度要求的影响。随着放大倍数的提高和工频滤波电路5的引入，不可避免的会引入直流信号，这会引起静态电压的升高，使交流信号失真，所以在此引入一阶无源高通滤波电路a6，截止频率为1HZ，主要是去除信号中的直流成份，在一定程度上也相当于是工频滤波的阻抗匹配。其次将信号引入到一个增益可调放大器7中，该电路的增益可调利用可调电位器来实现，可以大幅度平滑调节信号的放大倍数，可以将需要的信号调节到合适的幅值以便于后续极性调整不失真，此处加入一阶无源高通滤波器b8，此模块可以滤除信号中的直流成份，再经过电压跟随器b9。然后，可以加入由运放构成的静态工作电压调整模块10，也可以加入由电阻电容构成的极性调整模块11 ο这两种电路各自具有不同的特点，由运放构成的静态工作电压调整模块1可以将电压调整到峰值电压为O到3.3V，这对于AD端口为3.3V工作的芯片来说较为合适，另外此电路外围没有容性元器件，所以不会引入额外干扰信号。由电阻电容构成的极性调整模块11由5V供电，可以将峰值电压调整到O到4.9V左右，这对于AD端口为5V的芯片来说较为合适，另外此电路也可看成一个一阶高通滤波电路，对电路中的低频信号也能起到一定的阻碍作用，在静态工作电压调整模块10上连接LED指示灯al2、在极性调整模块11上连接LED指示灯b 13，可方便观察风粉信号的变化。
[0028]二阶有源低通滤波器a2和二阶有源低通滤波器b4的结构如图2所示均为:输入信号SIGj信号依次经电阻R7和电阻R8串联进入第一通用放大器的3脚，第一通用放大器的3脚经电容Cl I接地，电阻R7和电阻R8的连接处接电容ClO，电容ClO的另一端接第一通用放大器的I脚，第一通用放大器的I脚经电阻Rl和第一通用放大器的2脚接在一起，第一通用放大器的2脚经电阻R4接地，第一通用放大器的I脚接电容CS的一端，电容CS的另一端经电阻RlO接地，同时电容C8接电阻RlO的这一端为输出SIG_2;5V电源接第一通用放大器的8脚，第一通用放大器的8脚和地之间分别串联电容Cl和电容C2，其中，电容C2为极性电解电容，电容C2的正极接第一通用放大器的8脚;-5V电源接第一通用放大器的4脚，第一通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C12和电容C14，电容C12为极性电解电容，电容C12的正极接地，负极接-5V。
[0029]工频滤波电路5的结构如图3所示为:输入信号SIG_3信号依次经电阻R6和电容C9串联进入第二通用放大器的2脚，第二通用放大器的2脚经电阻R3接第二通用放大器的I脚，电阻R6和电容C9之间接入电容C7的一端，电容C7的另一端接第二通用放大器的I脚，电阻R6和电容C9之间接入电阻Rll的一端，电阻Rll的另一端接地，第二通用放大器的3脚也接地；第二通用放大器的I脚经电阻R9接到第三通用放大器的3脚，输入SIG_3信号经电阻R12接到第三通用放大器的3脚，第三通用放大器的2脚经R5接地，第三通用放大器的2脚和I脚之间串入R2;第二通用放大器的8脚接5V电源，同时第二通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C5和电容C6，其中电容C6是极性电解电容，电容C6正极接5V，负极接地;第三通用放大器的8脚接5V电源，同时第三通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C3和电容C4，其中电容C4是极性电解电容，电容C4正极接5V，负极接地;-5V电源接第二通用放大器的4脚，第二通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C16和电容C17，电容C16为极性电解电容，电容C16正极接地，负极接-5V电源;-5V电源还接第三通用放大器的4脚，第三通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C13和电容C15，电容C13为极性电解电容，电容C13的正极接地，负极接-5V电源。
[0030]静态工作电压调整模块10的结构如图4所示为:输入信号SIG_5信号经电阻R14接到第四通用放大器的2脚，第四通用放大器的2脚经电阻R13接到I脚，电阻R15的一端接5V电源，电阻R15的另一端接第四通用放大器的3脚，第四通用放大器的3脚经电阻R16接地，5V电源接第四通用放大器的8脚，第四通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C18和电容C19，其中电容C19为极性电解电容，电容C19的正极接第四通用放大器的8脚;-5V电源接第四通用放大器的4脚，第四通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C20和电容C21，其中电容C20为极性电解电容，电容C20的正极接地，负极接-5V电源。
[0031]根据AD端口电压的要求，上一级电压跟随器b9的输出可以有两种接法。当AD端口电压为3.3V时选择图4中SIG_5，此时图4中SIG_6便是整个调理电路的输出端口，同时图4中SIG_6接一个发光二极管；当AD端口电压为5V时选择由电阻电容构成的极性调整电路，此时极性调整电路的输出便是整个调理电路的输出端口。
[0032]本实用新型一种专用电信号的放大滤波电路，从传感器检测到的微弱复杂电信号中提取出有用信号，进而提高单片机采集到的信号的可靠性，最终实现对风粉流速和浓度的准确测量。本实用新型摒弃传统的一些处理方法，利用模拟信号的特点，设计出一种新型的专用电信号放大滤波电路。该电路采用的都是通用的基本元器件，价格低廉，便于购买，且有较好的处理效果，特别适用于风粉电信号的处理。
[0033]本实用新型一种专用电信号的放大滤波电路，原理简单，价格低廉，可操作性强，而且能够更精确的对风粉电信号进行放大滤波，进而可以通过AD采集和互相关运算更准确的反应风粉颗粒的流速和相应的浓度。电路中低通滤波和高通滤波组成的通频带内幅频响应具有最平幅度特性，工频滤波使得工频信号的干扰尽可能的降低。在实际的应用中，除信号的输入线采用屏蔽线外，其它的接线均无特殊的要求。由于设计中所采用的电源供电电路均加入了二极管加以保护，所以电路中的芯片不会因短路或其它原因损坏，也不会因为风粉浓度和流速过大的问题使输出信号峰值过大烧毁AD接口。每个芯片电源处均加入去耦电容，使电源电压平滑，减小交流干扰。实际应用证明，此电路可以很好地对风粉信号进行放大滤波，有效降低信号中的噪声，最后得到一个较为理想的信号。
【主权项】
1.一种专用电信号的放大滤波电路，其特征在于，包括电压跟随器a(l)，电压跟随器a(I)依次与二阶有源低通滤波器a(2)、同相放大器(3)、二阶有源低通滤波器b(4)、工频滤波电路(5)、一阶无源高通滤波器a(6)、增益可调放大器(7)、一阶无源高通滤波器b(8)、电压跟随器b(9)，电压跟随器b(9)上连接有静态工作电压调整模块(10)或极性调整模块(11); 电压跟随器a( I )、二阶有源低通滤波器a(2)、同相放大器(3)、二阶有源低通滤波器b(4)、工频滤波电路(5)、一阶无源高通滤波器a(6)、增益可调放大器(7)、一阶无源高通滤波器b(8)、电压跟随器b(9)、静态工作电压调整模块(10)、极性调整模块(11)均通过电源滤波(15)与电源模块(14)连接。2.根据权利要求1所述的一种专用电信号的放大滤波电路，其特征在于，若AD限制电压为3.3V时，所述电压跟随器b(9)连接所述静态工作电压调整模块(10)，若AD限制电压为5V时，所述电压跟随器b(9)连接所述极性调整模块(11)。3.根据权利要求1所述的一种专用电信号的放大滤波电路，其特征在于，所述静态工作电压调整模块(10)上连接有LED指示灯a( 12)。4.根据权利要求1所述的一种专用电信号的放大滤波电路，其特征在于，所述极性调整模块(11)上连接有LED指示灯b (13)。5.根据权利要求1所述的一种专用电信号的放大滤波电路，其特征在于，所述二阶有源低通滤波器a(2)和所述二阶有源低通滤波器b(4)的结构均为:输入信号SIG_1信号依次经电阻R7和电阻R8串联进入第一通用放大器的3脚，第一通用放大器的3脚经电容Cll接地，电阻R7和电阻R8的连接处接电容C10，电容ClO的另一端接第一通用放大器的I脚，第一通用放大器的I脚经电阻Rl和第一通用放大器的2脚接在一起，第一通用放大器的2脚经电阻R4接地，第一通用放大器的I脚接电容C8的一端，电容C8的另一端经电阻RlO接地，同时电容C8接电阻RlO的这一端为输出SIG_2;5V电源接第一通用放大器的8脚，第一通用放大器的8脚和地之间分别串联电容Cl和电容C2，其中，电容C2为极性电解电容，电容C2的正极接第一通用放大器的8脚;-5V电源接第一通用放大器的4脚，第一通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C12和电容C14，电容C12为极性电解电容，电容C12的正极接地，负极接-5V。6.根据权利要求1所述的一种专用电信号的放大滤波电路，其特征在于，所述工频滤波电路(5)的结构为:输入信号SIG_3信号依次经电阻R6和电容C9串联进入第二通用放大器的2脚，第二通用放大器的2脚经电阻R3接第二通用放大器的I脚，电阻R6和电容C9之间接入电容C7的一端，电容C7的另一端接第二通用放大器的I脚，电阻R6和电容C9之间接入电阻Rll的一端，电阻RU的另一端接地，第二通用放大器的3脚也接地;第二通用放大器的I脚经电阻R9接到第三通用放大器的3脚，输入SIG_3信号经电阻R12接到第三通用放大器的3脚，第三通用放大器的2脚经R5接地，第三通用放大器的2脚和I脚之间串入R2;第二通用放大器的8脚接5V电源，同时第二通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C5和电容C6，其中电容C6是极性电解电容，电容C6正极接5V，负极接地;第三通用放大器的8脚接5V电源，同时第三通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C3和电容C4，其中电容C4是极性电解电容，电容C4正极接5V，负极接地;-5V电源接第二通用放大器的4脚，第二通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C16和电容C17，电容C16为极性电解电容，电容C16正极接地，负极接-5V电源;-5V电源还接第三通用放大器的4脚，第三通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C13和电容Cl 5，电容Cl 3为极性电解电容，电容Cl 3的正极接地，负极接-5V电源。7.根据权利要求1所述的一种专用电信号的放大滤波电路，其特征在于，所述静态工作电压调整模块(10)的结构为:输入信号SIG_5信号经电阻R14接到第四通用放大器的2脚，第四通用放大器的2脚经电阻R13接到I脚，电阻R15的一端接5V电源，电阻R15的另一端接第四通用放大器的3脚，第四通用放大器的3脚经电阻R16接地，5V电源接第四通用放大器的8脚，第四通用放大器的8脚和地之间分别串联电容C18和电容C19，其中电容C19为极性电解电容，电容C19的正极接第四通用放大器的8脚;-5V电源接第四通用放大器的4脚，第四通用放大器的4脚和地之间分别串联电容C20和电容C21，其中电容C20为极性电解电容，电容C20的正极接地，负极接-5V电源。8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种专用电信号的放大滤波电路，其特征在于，所述电压跟随器a( I)、二阶有源低通滤波器a(2)、同相放大器(3)、二阶有源低通滤波器b(4)、工频滤波电路(5)、增益可调放大器(7)、电压跟随器b(9)、静态工作电压调整模块(10)均采用通用放大器LM358。
【文档编号】H03H11/46GK205510002SQ201620176992
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】弋英民, 王涛
【申请人】西安理工大学